清潔水源與綠色電能是人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的科技保證。因此如何收集離散水能（如霧滴、雨滴）并高效地轉(zhuǎn)換其機(jī)械能為電能需要進(jìn)一步研究。近日，華中科技大學(xué)材料學(xué)院蘇彬課題組最新研究成果“A superhydrophobic droplet-based magnetoelectric hybrid system to generate electricity and collect water simultaneously”發(fā)表在國際著名材料雜志《Advanced Materials》。上述論文設(shè)計(jì)新型的柔性磁電復(fù)合材料體系，將超疏水表面引入到課題組2019年開發(fā)的柔性磁電材料體系中 （見圖1所示），提出了一種全新的收集環(huán)境離散水能的研究模型，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了凈水收集和電能轉(zhuǎn)換。該研究為環(huán)境集水發(fā)電一體化的研究提供了新的思路和方法。
圖1. 超疏水磁電復(fù)合模型的制備及發(fā)電機(jī)理
該研究通過在柔性磁電體系內(nèi)部引入由超疏水表面和丙三醇液滴構(gòu)成的彈性中間層，使導(dǎo)電部分與磁性基底分隔開來。其中，由于低的表面能，丙三醇液滴與上下的超疏水接觸面的接觸呈現(xiàn)Cassie態(tài)。在外界壓力作用下（水滴滴落），丙三醇發(fā)生受力形變，Cassie態(tài)的接觸轉(zhuǎn)變成Semi-Cassie態(tài)。由于該形態(tài)的可恢復(fù)性，當(dāng)外力作用消失時(shí)（水滴從超疏水頂面脫離樣品），丙三醇液滴的Semi-Cassie的接觸恢復(fù)到Cassie態(tài)，由此實(shí)現(xiàn)樣品內(nèi)部導(dǎo)電線圈與磁性基底之間的相對(duì)位置的可逆改變。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)閉合導(dǎo)電線圈與磁性基底之間的距離發(fā)生改變時(shí)，線圈內(nèi)的磁通量發(fā)生改變，從而產(chǎn)生誘導(dǎo)電動(dòng)勢發(fā)電。
圖2. 超疏水磁電復(fù)合體系在下落水滴的作用下超疏水/丙三醇彈性中間層產(chǎn)生的形態(tài)變化及該變化的磁場仿真計(jì)算通過線圈的磁通量
利用高速攝像技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)對(duì)超疏水磁電復(fù)合體系在下落水滴的作用下的形態(tài)變化進(jìn)行了監(jiān)測（圖2）。結(jié)果顯示，當(dāng)水滴滴落在樣品頂面時(shí)，其中的超疏水/丙三醇彈性中間層發(fā)生了如機(jī)理預(yù)期的形態(tài)變化。基于該形態(tài)變化引起的磁電相對(duì)距離的改變，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了磁場仿真模擬計(jì)算，來研究磁/電部分相對(duì)位置變化引起的通過線圈的磁通量變化。
作為超疏水磁電復(fù)合體系樣品的對(duì)照實(shí)驗(yàn)，該研究對(duì)未進(jìn)行超疏水處理的器件進(jìn)行了對(duì)比研究。如圖3所示，超疏水基樣品對(duì)下落水滴有明顯的電學(xué)信號(hào)響應(yīng)（綠色曲線）。與之相反，對(duì)于未進(jìn)行中間層超疏處理的對(duì)照樣品，中間層表面對(duì)丙三醇液滴有親液浸潤性，因此丙三醇在其中不能保持獨(dú)立的液滴狀態(tài)而只能以液膜的形態(tài)存在。在同樣的外力作用下（水滴滴落），丙三醇液膜柔性支撐層只能呈現(xiàn)微小的變化，因而其電學(xué)響應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于經(jīng)過超疏處理的樣品（橘紅色曲線）。該結(jié)果突出了對(duì)超疏水中間層的重要性。
圖3 對(duì)樣品的丙三醇中間層進(jìn)行/未進(jìn)行超疏水處理的對(duì)比研究
圖4. 集收集環(huán)境離散水源與發(fā)電于一體的超疏水磁電復(fù)合模型
該研究進(jìn)一步向超疏水磁電復(fù)合體系引入了仙人掌仿生結(jié)構(gòu)，使其在收集分散微型水滴的同時(shí)，對(duì)其能量勢能轉(zhuǎn)化而來的動(dòng)能進(jìn)行轉(zhuǎn)化并以電能的形式輸出（如圖4所示）。
該研究最大的意義在于采用了一種全新的磁電復(fù)合體系，從超浸潤界面的研究視角切入，將具有機(jī)電轉(zhuǎn)換功能的磁電復(fù)合體系與特定超疏水的表面設(shè)計(jì)相結(jié)合，并引入仿生設(shè)計(jì)，得到了收集環(huán)境離散型水源（如霧、雨水等）與發(fā)電一體化的超疏水基電磁模型。
材料學(xué)院馬征博士后為論文第一作者，在蘇彬教授的指導(dǎo)下完成。該研究得到國家自然科學(xué)基金海外高層次人才基金，博士后基金，華中科技大學(xué)人才引進(jìn)基金等項(xiàng)目的資助。
